0 引言

    中國人從古代起就偏愛木制品，當(dāng)代人生活水平提高了，開始回歸自然，在裝修時(shí)大多選用木質(zhì)地板、家具等^[1-2]。精心選購裝修的地板，平時(shí)精心呵護(hù)，定期進(jìn)行保養(yǎng)，但是人總有大意的時(shí)候，如忘關(guān)水龍頭就匆忙出門，不僅地板被泡，更會造成家中其他家具、電器的損壞，給家庭帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失^[3-4]。因此，設(shè)計(jì)一種適宜家庭使用的防水浸報(bào)警器是很有必要的。家用智能防水浸探測器的設(shè)計(jì)就是智能家居的一次嘗試。

    目前市場上的此類產(chǎn)品很少，多見于一些專利材料，設(shè)計(jì)原理主要是采用時(shí)間計(jì)量電動閥門^[4]、液位傳感器、濕度傳感器^[5]等方式進(jìn)行家庭是否跑水情況的探測，硬件實(shí)現(xiàn)成本較高，難以推廣應(yīng)用。針對以上問題，設(shè)計(jì)了一種采用高分子吸水材料直接探測地面有無水層，利用高分子吸水材料的遇水膨脹特性^[6-8]，實(shí)現(xiàn)家庭跑水情況的實(shí)時(shí)探測報(bào)警裝置，相比市場現(xiàn)有產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)具有實(shí)現(xiàn)原理簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

    要實(shí)現(xiàn)防水浸探測報(bào)警功能，首先必須能夠正確檢測到地面是否有水層，通過對高吸水性樹脂材料特性進(jìn)行分析可知，它具有很強(qiáng)的親水性，可以在吸水時(shí)實(shí)現(xiàn)幾倍甚至十幾倍的膨脹，利用其吸水膨脹的特性，結(jié)合電阻式壓力傳感器^[9-10]，設(shè)計(jì)一種能夠把體積變化轉(zhuǎn)化為壓力信號變化的裝置，就可以實(shí)現(xiàn)地面是否有水的可靠檢測。

    考慮到信號的處理及數(shù)據(jù)的ZigBee無線發(fā)布功能，選擇TI公司的CC2430芯片作為控制核心，利用其集成的增強(qiáng)型8051單片機(jī)內(nèi)核和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC實(shí)現(xiàn)對壓力信號的實(shí)時(shí)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號的輸出^{[1-3，11-13]}。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控功能，將處理完成后的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，完成多個(gè)家用智能防水浸探測器的數(shù)據(jù)匯集，最終通過GPRS模塊，利用短消息實(shí)現(xiàn)家庭情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

    要滿足以上的功能要求，只需水浸信號采集裝置和兩塊CC2430開發(fā)板就可以實(shí)現(xiàn)，一塊用作探測器的功能開發(fā)，一塊用作路由單元的數(shù)據(jù)匯集。本系統(tǒng)采用HFZ-CC430 ZDK-01型開發(fā)板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速開發(fā)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩部分：一是水浸信號采集裝置的設(shè)計(jì)；二是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號處理及無線傳輸設(shè)計(jì)。探測器系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

    進(jìn)一步的增強(qiáng)功能可通過ZigBee無線發(fā)送模塊，將單個(gè)探測器的信息通過無線通信傳輸?shù)铰酚蓡卧?，然后再由路由單元的GPRS無線數(shù)據(jù)短信包發(fā)送到用戶的個(gè)人手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)家用防水浸系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。路由單元框圖如圖2。

2.1 水浸信號采集裝置的設(shè)計(jì)

    家庭中是否跑水最直觀的表現(xiàn)是待檢測地面是否有水層，防水浸探測器能夠?qū)崿F(xiàn)的首要條件是能否正確的探測地面是否有水層，而家庭地面的水層一般很薄，很難通過測量液位的方式實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)可靠的地面水層探測，最直接的方式是進(jìn)行地面是否有水的檢測，現(xiàn)有的檢測方式，如水敏感型傳感器、濕度傳感器等由于家庭環(huán)境的特殊性（拖地、下雨、鞋子帶水等）都可能導(dǎo)致傳感器的誤動作，引起探測器的報(bào)警，同時(shí)由于成本較高，難以推廣應(yīng)用。本文通過對高分子吸水材料的研究，提出一種新型的基于高分子吸水材料膨脹特性及壓力傳感器的家庭跑水探測方法。

2.1.1 吸水材料的選擇

    要實(shí)現(xiàn)可靠的地面水層探測，吸水材料的選擇必須滿足以下特性：高比率的吸水膨脹性，可長時(shí)間保存性，價(jià)格低廉。

    通過對多種高分子材料的吸水性對比發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸鈉鹽吸水性樹脂是種不錯的選擇，它具有很強(qiáng)親水性，能大量吸收水分且保持水分不外流，同時(shí)，這種高分子材料可以長時(shí)間保存而不變質(zhì)。因此，本設(shè)計(jì)選用價(jià)格低廉的新型高分子材料聚丙烯酸鈉鹽作為吸水介質(zhì)。

2.1.2 采集裝置的設(shè)計(jì)

    為了可靠地檢測出地面水層，聚丙烯酸鈉鹽必須與地面水層接觸，聚丙烯酸鈉鹽材料一般為小顆粒狀，這就要求必須設(shè)計(jì)一套能夠封裝聚丙烯酸鈉鹽且保持水接觸性的裝置。

    本文設(shè)計(jì)的信號采集裝置示意圖如圖3所示，其中，標(biāo)號3為封裝在密閉空間中的壓力傳感器FSR402；標(biāo)號1為聚丙烯酸鈉鹽，由水過濾薄膜包裹，具有水通透性及延展性。

    圖中，1為聚丙烯酸鈉鹽，2為壓力傳感器托盤支架，3為壓力傳感器FSR402，4為CC2430主控電路板，5為外圍聲光報(bào)警裝置及天線等，6為裝置殼體預(yù)留的吸水孔。

    通過以上的采集裝置，地面水層中水分會快速地被高分子吸水材料聚丙烯酸鈉鹽吸收，從而引起聚丙烯酸鈉管的快速膨脹，通過壓力傳感器托盤把壓力傳遞給壓力傳感器FSR402，從而實(shí)現(xiàn)壓力信號的獲取。以上三部分都在底部的密封腔體中，通信信號線把壓力信號傳遞到CC2430主控電路板，主控電路板對采集的壓力信號進(jìn)行分析，從而驅(qū)動相關(guān)的聲光報(bào)警裝置發(fā)出相應(yīng)信號。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)由主控模塊、信號傳輸模塊、壓力采集模塊、電源模塊、鍵盤模塊和報(bào)警模塊等組成。由于本設(shè)計(jì)直接選用CC2430集成開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，因此，電源模塊、鍵盤模塊、報(bào)警模塊等外圍附件模塊不再專門作設(shè)計(jì)描述。

2.2.1 主控芯片的選取

    由于本設(shè)計(jì)中的壓力傳感器信號需要進(jìn)行處理，因此需要有CPU單元及AD電路，同時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，因此選擇單片機(jī)+AD組合電路+無線通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，CC2430芯片能夠滿足以上功能，它集成有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，大部分單指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，運(yùn)算速度為普通8051內(nèi)核的8倍；具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)及32 kHz晶振，采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號的處理及通信收發(fā)功能。因此，本系統(tǒng)選擇CC2430作為主控芯片。

2.2.2 壓力信號采集電路設(shè)計(jì)

    壓力采集主要由主控芯片CC2430和壓力傳感器FSR402組成，壓力傳感器所需的5 V電源由CC2430開發(fā)板提供。FSR402型壓力傳感器是一種優(yōu)化的單一方向的壓力感應(yīng)器，它的電阻值隨表面受的壓力增大而減小^[14]，這種特性非常符合本設(shè)計(jì)中地面水層信號的壓力測量。CC2430與FSR402型壓力傳感器連接原理圖如圖4所示。

    其中，CC2430采用集成的AD接口A0，連接到傳感器的電壓信號輸出端，測量范圍0 V~3.3 V；根據(jù)FSR402的使用指南，選擇相應(yīng)的分壓電阻為10 k?贅，且輸出電壓信號端以電壓跟蹤放大器隔離，以保證在最大壓力輸出時(shí)其輸出測量電壓不大于3.3 V。

2.2.3 ZigBee無線通信設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用CC2430開發(fā)板作為主控板，其自帶5 V～3.3 V的AMS1117-3.3芯片，可以通過DC座供電，同時(shí)預(yù)留電池供電接口^[15]；板載10 kΩ的可調(diào)電阻可以用于壓力傳感器的AD轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)；板載的4個(gè)可編程LED可用于報(bào)警測試；6個(gè)可編程按鍵可用于鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì)。這方便了設(shè)計(jì)調(diào)試，縮短了開發(fā)周期。

    設(shè)置探測器的ZigBee無線模式為低功耗模式，休眠時(shí)電流為0.45 mA，其喚醒方式為外部中斷方式喚醒，節(jié)點(diǎn)形式為傳感器節(jié)點(diǎn)。接收器側(cè)的 ZigBee無線模式為正常工作模式，且節(jié)點(diǎn)形式為路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)配置圖如圖5所示。

    圖中，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)配置為傳感器自組網(wǎng)模式，假定路由網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在節(jié)點(diǎn)1、2，這時(shí)，節(jié)點(diǎn)3從休眠狀態(tài)喚醒，則節(jié)點(diǎn)3首先發(fā)送相關(guān)的組網(wǎng)指令給路由節(jié)點(diǎn)請求組網(wǎng)，路由節(jié)點(diǎn)接收請求并返回指令給節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)3實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備采用PRS8000-S與路由節(jié)點(diǎn)用RS232方式進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在主程序下分成若干彼此獨(dú)立的功能模塊，如壓力數(shù)據(jù)采集、鍵盤輸入模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、報(bào)警處理模塊等。

3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各模塊程序的鏈接。各子程序模塊完成相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)。程序總體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

    首先對系統(tǒng)初始化，完成對各功能部件初始狀態(tài)的配置；然后通過鍵盤處理模塊對現(xiàn)場控制信號進(jìn)行設(shè)定，設(shè)置壓力的上限值，達(dá)上限時(shí)報(bào)警，同時(shí)，鍵盤處理模塊還可以完成特殊情況下強(qiáng)制執(zhí)行信號的操作，如復(fù)位、開/關(guān)報(bào)警等；接下來通過壓力傳感器數(shù)據(jù)采集模塊完成壓力傳感器數(shù)據(jù)的測量，通過報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；最后將處理后的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

    程序功能模塊主要包括：鍵盤掃描、壓力監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信、報(bào)警模塊等，其中，鍵盤掃描采用普通中斷掃描方式，壓力監(jiān)測主要涉及AD采樣程序設(shè)計(jì)，采用時(shí)間中斷方式進(jìn)行調(diào)用，數(shù)據(jù)通信采用CC2430開發(fā)板自帶示例程序進(jìn)行開發(fā)。

    報(bào)警模塊作為本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其報(bào)警信號的來源不只是壓力傳感器的壓力信號，還有壓力增長率等信號，這主要是為了解決高分子吸水樹脂材料在空氣中長時(shí)間暴露所帶來的測量誤報(bào)。采用定時(shí)時(shí)間中斷方式進(jìn)行調(diào)用，其程序判定流程圖如圖7所示。

    從圖中可以看出，當(dāng)壓力信號達(dá)到報(bào)警限值500 g時(shí)，程序并不會直接進(jìn)行聲光報(bào)警，而是轉(zhuǎn)到壓力信號增長率判定程序，采用20 s的計(jì)時(shí)器對壓力增長率進(jìn)行計(jì)算，如果壓力增長率大于5(通過實(shí)驗(yàn)給出的限定值)，則進(jìn)行聲光報(bào)警，否則只進(jìn)行光報(bào)警(LED閃爍報(bào)警)，表明此次報(bào)警可能是傳感器受潮導(dǎo)致的誤報(bào)，請求更換傳感器吸水材料。通過上述的程序處理，可以大大降低傳感器的誤報(bào)警。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    文中所設(shè)傳感器測量范圍為10 g～1 000 g，壓力≥500 g時(shí)報(bào)警，為了驗(yàn)證測量的準(zhǔn)確性，做了對比試驗(yàn)，分別在晴天室內(nèi)（相對濕度≤40%）、雨天室內(nèi)（相對濕度≥80%）、室內(nèi)有薄水層情況下進(jìn)行了傳感器壓力的實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    鑒于條件所限，只進(jìn)行了72 h的壓力數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，從表中數(shù)據(jù)分析可知，在晴天及雨天環(huán)境下，經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，壓力數(shù)據(jù)有微量的增長，但是增長幅度不明顯，原因是高分子吸水材料長期暴露在空氣中，吸收了空氣中的水蒸汽導(dǎo)致體積有所膨脹，表現(xiàn)為壓力的小幅穩(wěn)定增長。

    從表中規(guī)律可看出，在雨天環(huán)境下，72 h（3天）的時(shí)間壓力才增長了17 g，如果按比例計(jì)算，則壓力要增長到報(bào)警級別至少需要88天：

    而由于高分子吸水材料的長期有效性，只需要在報(bào)警時(shí)將其吸水材料作相應(yīng)的更換即可。

    在室內(nèi)薄水層情況下，傳感器能夠在1 min的時(shí)間內(nèi)達(dá)到550 g的壓力，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。經(jīng)過實(shí)際測量，在不到3 min的時(shí)間內(nèi)，傳感器輸出壓力達(dá)到975g左右的最大值，能夠快速地檢測出地面的存水情況，充分說明了本設(shè)計(jì)的有效性。

5 結(jié)論

    通過對市場現(xiàn)有防水探測器的調(diào)研，文中設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、可靠性高的防水浸智能家用探測器，采用高分子吸水材料作為地面水層探測的介質(zhì)，通過對采集機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，把對水層的檢測轉(zhuǎn)換為對壓力信號的檢測，實(shí)現(xiàn)了家用防水浸探測器的基本報(bào)警功能。同時(shí)，作為智能家居的一部分，考慮了數(shù)據(jù)的無線傳輸及遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)播報(bào)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程情況下的家庭基本情況短消息監(jiān)控。本設(shè)計(jì)具備的低價(jià)格、易用性特點(diǎn)，使其具備很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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